JP4582998B2 - 多層繊維製品及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分による多層繊維製品に関する。

この種の製品は、製品の機能表面を形成する層が、その下の繊維層を覆い、少なくとも明るく、実質的に不透明（non-transparent）である少なくとも2つの重なった繊維層からなる。上層は、フィラー、あるいは従来の添加物、及び紙用の予備剤を含む。

また、本発明は、多層繊維製品を製造するための、請求項８による方法に関する。

紙及び板紙の印刷適性、即ち、印刷面及び印刷工程の特性は、該紙を種々の鉱物塗料でコーティングすることで改善される。該コーティングの目的は、繊維並びに紙及び板紙の繊維群を被覆し、それによって、表面の粗さ及び表面の孔径を減少させることにある。前記塗料は、通常、顔料及びバインダー、並びに種々の添加剤からなる。

一般に2又は３層からなる多層繊維製品は、「ライナー」と呼ばれている。ライナーは、完全にブラウン(クラフトライナー)又は部分的に白(白ラインライナー)とすることができ、又はその上層をコーティングすることができる。ライナーは、バージン繊維又はリサイクル繊維又はそれらの両方からなることができる。

ライナーを、コルゲートボードパッケージにおいて背景のライナーの表面として使用することができる。クラフトライナーの特徴は,強度、均質性及び製品安定性である。クラフトライナーが有する強度は、リサイクル繊維ベース製品と比較したとき、非常に重要な対抗し得る利点である。リサイクル繊維を含むテストライナーを使用する利点は、低価格であり、リサイクリングをサポートする経済的な価値である。

Oy Metsa−Botnia Ab社の「Kemiart Graph」、「Kemiart Lite」、及び非コーテング「Kemiart Brite」と呼ばれる製品は、市販のコーティングライナーの例として言及することができる。Oy Metsa−Botnia Abのライナー製品は２つの繊維層を有するクラフトライナーであり、ベース層は、高収率軟材硫酸塩パルプ、漂白された樺材及び軟材硫酸塩パルプの上層である。上層に使用されるフィラーは、上面に輝きと滑らかさを与え、塗装特性を改善する。水循環においてそれを循環させる代わりに製品においてノイル材料、及び充填材を維持するために、他の化学薬品、例えば、保存試薬、及び耐水性を改善するためにAKD接着剤なども、ライナーの製品に使用される。コーティングは、オンラインコーティングユニットで被膜した製品に加えられる。コーティングは、例えば、製品の塗装特性をかなり改善するためにカオリン、炭酸塩、及びラテックスの組み合わせである。最終光沢、及び最終製品の滑らかさは、カレンダ加工で得られる。

ホワイトラインライナーボード(被覆層)の上層を生産する方法は、ブラウン裏層を生産する方法よりかなり高価である。製品は、例えば、繊維層の強度を変更することによって最適化することができる。その場合において、上層ができるだけ軽いライナーを生産することは適当である。しかしながら、これまで、弱すぎるカバーを形成することなく、ライナーの十分な輝きを維持する一方、カバーの重さを減少させる試みは、成功していない。白筋線維の量は、透過性のブラウン繊維なしに、容易に減少させることができない。

上層は、良好な塗装性とし直接示す良好な構成を有するのにも要求される。それゆえ、悪い構成は、オフセット塗装のグレースケールの際、及び塗装品質が雑色時に特によく視覚できる。

本発明の目的は、既知の方法に伴う問題を除去すること、及びライナーなどの多層繊維製品を生産する新規解決手段を提供することである。

本発明は、フィブリル及び鉱物顔料からなる複合フィラーを導入部で述べた繊維製品の上層のフィラーとして使用する考えに基づく。

フィンランド国特許明細書第１００７２９号には、微細繊維の表面上に炭酸カルシウムの粒子を析出させることによって形成した多孔性凝集体を含む製紙用フィラーが開示されている。この新種のフィラーは、該特許明細書によると、セルロース繊維及び／又は機械パルプ繊維をリファイニングすることによって製造された微細なフィブリル上に炭酸カルシウムを析出させることに特徴がある。この微細繊維分級物の粒度分布は、主にワイヤー性スクリーンのフラクションＰ１００に相当する。

本発明によれば、多層製品の上層を上述したフィラーで充填するとき、表面の不透明性が劇的に増加するので、カバーの坪量をかなり減少させることができることが明らかになった。新しいフィラーを含む上層は、低坪量にもかかわらず、非常に効率的に茶色背景を覆う。

さらに、本発明の範囲内において、光散乱物質粒子が析出した少なくとも部分的にセルロース又はリグノセルロースフィブリルからなる他の同様のフィラーもフィラーとして使用することができることを見出した。これらの粒子は、典型的に、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウム及びシュウ酸カルシウムなどの水性相中で析出する無機塩である。

したがって、本発明によれば、炭酸カルシウムが析出したフィブリルを構成するフィラーを使用することによって不透明性を損なうことなしに、多層紙の厚さを減少させることが可能である。英国特許第６２８６０３号は、上層が修正した繊維バルクを含む多層紙又はボードを開示する。操作されたバルクが、炭酸化合物に接触した後、パルプを塩化カルシウムで含浸することによって生産され、それによって、炭酸カルシウムがフィブリル上ではなく繊維上に析出する。英国特許に記載のものに相当する場合、バルクはかなり弱い強度特性を有する。この材料から紙を生産することは不可能であることがこの刊行物に記載されている。さらに、バルクは非常に低い保持特性を有する。

より具体的には、本発明による繊維製品は、請求項１の特徴部分に記載された事項によって主に特徴付けられる。

本発明による方法は、請求項８の特徴部分に記載された事項によって特徴付けられる。

本発明は、大きな利点をもたらす。それゆえ、ホワイトラインライナーは、表面の強度を損なうことなく、より軽い上層で調製することができる。この新規複合充填剤の助けによって、ホワイト及びブラウン層の特性はもっとより容易に変更することができる。フィラー含有量が増加するにつれて、フィラーが極めて白くなり、ホワイト層の量は、かなり減少する。ホワイト繊維層を減少させることによって、ライナーの商業生産もライナーの全坪量を減少させることもできる。例えば、本発明による上層の坪量は、相当する不透明度及び構成を有し、同様の繊維材料及び鉱物顔料から調製される上層より小さく、少なくとも約5重量％、好ましくは少なくとも１０重量％とすることができる。

フィラーは、上層の構成及び硬さを改善することが見出された。フィンランド特許明細書第１００７２９号に記載されたフィラー（これ以後、その製品名「スーパーフィル（SuperFill）」ともいう、）は、良好に保持され、保持剤の適量を減少させ、洗浄工程でもなお維持することができる。より良好な保持は、他の紙製造添加剤の適量を最適化/減少化させる。破壊の頻度が小さくなるので、清浄性は、機械の機動性を助け、一般的に、機械の機能効率を改善する。

以下に、詳細な説明及び幾つかの実施例の助けを借りて、本発明をより詳細に検証する。

フィラーとその調製
上述したのように、本発明によれば、光散乱顔料が析出したセルロースフィブリルからなる複合フィラーは、多層繊維製品の上層へフィラーとして加えられる。
フィブリルは、化学パルプ、機械パルプ、又はその混合物から得ることができる。化学パルプによって参照例は、ここでパルプに作られ、セルロース繊維を脱リグニン化するために蒸解用化学薬品で処理される。好適実施態様によると、硫酸塩プロセス又は他のアルカリ蒸解法によって製造されたパルプをリファイニングすることで、フィブリルが得られる。化学パルプに加え、化学機械パルプ及び機械パルプから得られたフィブリルの改良にも適用することができる。

典型的には、セルロース又はリグノセルロースのフィブリルの平均太さは、5μmよりも小さく、通常1μmよりも小さい。該フィブリルは、以下の基準の少なくとも一つで特徴付けられる：ａ．フィブリルが、100メッシュのスクリーン(ふるい)を通過する画分に相当する；ｂ．フィブリルの平均太さが0.01〜10μm（好ましくは最大5μm、特に最大1μm）で且つ平均長さが10〜1500μmである。

前記フィブリルの原料物質、即ち、セルロース又は他の繊維に基づく微細繊維は、原料物質をパルプリファイナー中で叩くことによってフィブリル化される。
必要ならば、スクリーンを用いて望ましい画分を分離してもよいが、微細繊維を篩にかけることは必ずしも必要ではない。望ましいフィブリルの画分は、ワイヤー製スクリーンのフラクションＰ５０−Ｐ４００を含む。好ましくは、溝付きの刃を有するリファイナーを用いる。

フィラー中の光散乱物質の粒子は、それらの原料物質から水性溶媒中での析出反応によって形成できる無機又は有機の塩である。かかる化合物としては、炭酸カルシウム、シュウ酸カルシウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウム及びそれらの混合物等が挙げられる。前記物質の粒子は、フィブリル上に析出している。フィブリルの量に対する無機塩化合物の量は、フィラーの量から計算して、約0.0001〜95重量％で、好ましくは約0.1〜90重量％で、最も望ましくは約60〜80重量％であり、また、紙の約0.1〜80重量％で、好ましくは紙の約0.5〜50重量％である。

以下に、フィンランド国特許明細書第１００７２９号による製品に特に関連して本発明を検証するが、光散乱顔料の原料物質を適切に変更することによって、上述の他の製品にも本発明を適用することができることは明らかである。

セルロース繊維及び／又は機械パルプ繊維から調製した微細なフィブリルの表面上に鉱物顔料を析出させることによってフィラーを製造する。例えば、フィブリルの水性スラッシュ中に、固体の水酸化カルシウムを含む可能性のある水酸化カルシウム水溶液及び炭酸イオンを含み少なくとも部分的に水に溶解する化合物（例えば、炭酸ナトリウム又は炭酸アンモニウム）を加えることで、炭酸カルシウムを析出させることができる。また、水酸化カルシウムの存在下で炭酸カルシウムを生成する二酸化炭素ガスを、水相に導入することもできる。真珠の糸様の炭酸カルシウム結晶の凝集体が形成され、該凝集体はフィブリル、即ち微細なストランドで結合されており、凝集体の中では、炭酸カルシウムの粒子が微細なフィブリル上に析出してそれらに付着している。炭酸カルシウムと一緒になった微細なフィブリルは、真珠の糸様のストランドを形成し、堆積中で炭酸カルシウム凝集体が主として真珠の糸に似ている。水（スラッシュ）中では、パルプに対する凝集体の有効体積の比は、フィラーとして用いる通常の炭酸カルシウムの対応する比よりも非常に高い。ここで、”有効体積”とは、顔料に必要な体積を意味する。

前記凝集体中の炭酸カルシウム粒子の直径は、約0.1〜5μmで、通常は約0.2〜3μmである。特に、フィブリル(少なくとも55％まで)は、ワイヤー製スクリーンのフラクションＰ５０（又はＰ１００）〜Ｐ４００に相当する。

この種のフィラーを、１〜９０重量％(乾燥重量)、典型的には、約５〜50重量％を、多層製品の上層へ加える。前記フィラーは、通常、ベースウェブの少なくとも5重量％、最も好ましくは１０〜１００重量％、ベースウェブの繊維材料のそれぞれ１０〜５０重量％である。原理的には、繊維物質が完全にフィラーのフィブリルからなるベースウェブを生産することもでき、本フィラーは、該ベースウェブの繊維物質の1〜100重量％を形成し得る。

ベースウェブの生産に使用されるフラッシュにおいて、フィラーの部分が、例えば、炭酸カルシウムなどの従来のフィラーから成ることができる。しかしながら、析出した光散乱顔料粒子の少なくとも８０％、特に好ましくは９０％をフィブリルに付着することができる。

多層構造
図１a及び図１ｂは、それぞれ２つ及び４つの層を含む多層製品の構造を図説する。図1aは、典型的なホワイトラインライナーボードを図示し、図１ｂは、いわゆるテストライナーを図示する。

本発明による繊維製品の坪量は、好ましくは約50〜500g/m²、典型的には、約80〜350g/m²である。通常、その坪量は、125g/m²以上であるが、小さいパッケージ用に限れば、100g/m²未満の坪量を有する。

好ましくは、本発明によるライナーは、２つの層製品からなり(図１a
参照）、被覆層１及び裏層２の表面を有する。上層は、裏層をカバーするので、裏層は、上層を通じて見ることができない。

３層又は4層製品を生産することも可能である。原則として、層製品において層の数は、上限がなく、５，６、又は7層までさえ行なうことができる。本発明に本質的なことは、上層がより正確に上で記載されたフィラーを含むので、上層は、その下の層をカバーし、層は安価なコストの原料から生産することが出来るということである。

多層製品の中で、上層３、上層の下の層４、中間層５、裏層６を有する図１ｂのテストライナータイプ4層製品を、言及する。

異なる原料を、使用目的によって繊維製品の生産に使用することができる。バージン繊維とリサイクル繊維の両方を使用することができる。バージン繊維を軟材又は硬材(ウッドチップ)から造ることができ、またはカッティングから造ることもできる。特にバージンパルプは、上層に使用される。これは、硫酸蒸解(クラフトパルプ)によって大部分適切に生産される。なぜなら、硫酸蒸解は名前が示すように特に良好な強度特性を有する塊を与えるからである。リサイクル繊維は、例えば、使用したコルゲートボードパッケージ（OCC）又は混合繊維から作ることができる。リサイクル繊維は、特にテストライナーの生産用に使用される。表面及び裏層は同様の原料又は異なる原料繊維から生産することができる。もしクラフトパルプなどのバージン繊維が両方に使用されるなら、その後裏層の塊は、高収率で蒸解することができ、穏やかなリファイニングをその上で行なわれる。より低いκ値(カッパー値)へ蒸解され、裏層の塊よりさらにリファインされた塊は、上層へ使用される。典型的には、裏層のパルプはκ値３０〜７０へ蒸解され、上層のパルプはより低いκ値２５（無漂白パルプのκ値）へ蒸解される。漂白は、例えば、TCF漂白のECFのようにそれ自体既知の方法で行なうことができる。

保持剤は、例えば、約0.5〜３％の量の繊維材料においてスラッシュへ加えることができる。しかしながら、ここで述べたフィラーは、良好な保持特性を与え、保持剤は層に必要とされず、保持剤の量は、かなり減少させることができるということを本発明によって見出した。ライナーは、耐湿性を改善するために並べられた代物又は表面である。もし低品質リサイクル繊維が原料として使用されるなら、十分強度を有する製品を生産するために表面サイズプレスを使用することが好ましい。機械によれば、上と裏層との間のベース重量の配分は、約20/80〜40/60、典型的には、約30/70である。それゆえ、上層の坪量は、一般に約20〜125g/m²(以下参照)。本発明によって機能するとき、上層の坪量は、カバーの光学又は機械特性を悪化させることなしに、10％、20％まで、又はそれ以上減少させることができる。

層製品は、それ自体既知の方法で生産される。1つの好ましい実施態様によれば、両方又はすべての層を、それら自身のスラッシュからまず生産し、長網抄紙機ワイヤー上に拡散させる。この後、層をお互いに重ね固定する。生産工程に関して、「Ari Kiviranta”Board Grades”,in a book series Paper Making Science and Technology, Book 18, Paper and Board Grades, Fapet Oy, Jyvaskyla 2000, pages 68 and 69」によるテキストによって参照される。

本発明による平面繊維製品は、異なるコルゲートボードパッケージの上層として使用することができる。本発明による解決法は、特にホワイトライントップライナー及びコーティングしたホワイトラインライナー用に好適であり、両方とも塗装作業を満足するのに使用される。これらの目的において、本発明によるライナーの表面は極めてスムーズ、かつ均一であり、同じ時間で高不透明度を有し、光沢を利用することができる。一般に、上層の坪量は、約20〜125g/m²、最も好適には約50〜80g/m²、特に、好ましくは、55〜70g/m²、漂白した化学セルロースパルプを上層に使用される。本発明の好適な実施態様において非常に良好な構成を得るために、主に硬材を上層へ使用される。それゆえ、例えば、60重量％以上、典型的には、パルプの繊維材料の80％以上が硬材、残りが軟材である。パルプの繊維材料は、完全に硬材からなることができる。

従来のコーティング混合物は、被膜したホワイトライン上層製品のコーティングに使用することができる。析出させた炭酸カルシウム、重質炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、シュウ酸カルシウム、珪酸アルミニウム、カオリン（含水ケイ酸カルシウム）、水酸化アルミニウム、ケイ酸マグネシウム、タルク（含水ケイ酸マグネシウム）、二酸化チタン及び硫酸バリウム、並びにそれらの混合物を顔料として使用することができる。合成顔料を使用することもできる。上述の顔料の中でも、主要な顔料は、カオリン、炭酸カルシウム、析出させた炭酸カルシウム及び石膏であり、通常、それら顔料はコーティング混合物中の乾燥固形分の50％以上を構成する。か焼カオリン、二酸化チタン、サテンホワイト、水酸化アルミニウム、ケイ素アルミン酸ナトリウム及びプラスチックは、追加の顔料であり、それらの量は、通常混合物の乾燥固形分の25％未満である。特別な顔料として、特別品質のカオリン類及び炭酸カルシウム類、並びに硫酸バリウム及び酸化亜鉛を挙げることができる。

コーティング組成物中のバインダーとして、紙の生産で一般に使用される公知の如何なるバインダーをも使用することができる。単一のバインダーに加え、複数のバインダーの混合物を使用することもできる。代表的なバインダーの例としては、例えば、ブタジエン-スチレンタイプのコポリマー等のエチレン性不飽和化合物のポリマー又はコポリマーからなる合成ラテックス、及びカルボキシル基を含有するコモノマーを有するポリビニルアセテートを含む。バインダーとしては、上記で挙げた物質と共に、例えば、水溶性ポリマー、デンプン、ＣＭＣ、ヒドロキシエチルセルロース及びポリビニルアルコールを使用することもできる。更に、コーティング組成物においては、分散剤、混合物の粘度及び保水性に作用する薬品、潤滑剤、硬化剤、光学助剤、消泡剤、ｐＨ調整剤及び防腐剤等の従来の添加剤及び助剤を用いることができる。

前記コーティング混合物は、それ自体公知の方法で、素材のウェブに塗布することができる。コーティングを積層する前に行なうことができる。好ましくは、中間層構造を形成した後行なうことができる。紙及び／又は板紙をコーティングするための本発明に従った方法は、従来のコーティング装置、即ち、ブレードコーティングによって、又はフィルムコーティング若しくはＪＥＴ塗布によって実施することができる。コーティングは、オンライン又はオフラインで行なうことができる。

コーティング層の坪量は、5〜30g/m²へ変更することができる。

本発明によって、驚くべきことに、上述のフィラーは、上層の不透明性をを改善ずるばかりでなく、非常に被膜し易いということが見出された。所望の光沢を得るために要求される顔料の量又はコーティングの量は、フィラーで減少させることができる。

本発明によれば、フィラーを用いることで不透明性がかなり改善される。

以下の限定されない実施例は、本発明を説明する。実施例において紙特性を示す測定結果は、以下の標準的な方法によって決定された。
表面粗さ：SCAN−P７６：９５
気孔率：SCAN-P60
空気透過抵抗性：SCAN-M8,P19

実施例１
フィラーの製造
化学パルプのリファイニング
樺材のクラフトパルプをバルメット(Valmet)ＪＣ−０１リファイナーで精製し、フィラーの製造に好適なパルプを製造した。リファイニングのコンシステンシーは約4％で、総エネルギー消費量は343kWh/tで、比エッジロードは0.5J/mであった。

生産物の特性を表１に示す。

パルプのカーボネイティング
フィンランド国特許明細書第１００７２９号に従って、水道水中で炭酸化を行った。乾燥物含量が2.22％の水スラリーを得た。最終生産物は、ＣａＣＯ₃含有量が69.7％で、比表面積が10.6m²/kgであった。

実施例２
2層ホワイトラインライナー層の被覆層に適した繊維層を、樺材パルプ70重量％と松材パルプ30重量％を含む化学パルプから生産した。フィラーをパルプからフラッシュにおいて種々の量で加えた：実施例1に述べたフィラーをそれぞれ13及び20重量％(SuperFill)、析出させた炭酸カルシウム、それぞれ14及び16重量％(PCC,Albacar LO, 参照例1)、チョークとか焼カオリンの混合物１４重量％（参照例2）。

図２〜４は、機械強度特性の関数として得られた繊維層の光散乱能を図説する。図は、光散乱因子が参照例1及び２と一定強度で比較したとき、SuperFill フィラーで少なくとも25％及び約20％大きいことを示す。

この結果は、表面の坪量を約20％減少させることができ、これは、ライナーの生産コストをかなり減少させる。

図５は、上述に示した結果が、実証されたことを示す。結果は、ストックホルムのSTFIの実験装置（FEX）によって行なわれたライナーテスト由来であり、表面の坪量は、通常のレベルの75g/m²から65g/m²まで減少した。2層繊維構造を試験用に生産した。製品のISO光沢を決定した。

図５は、Superfillを用いて10g/m²軽量上層が、坪量75g/m²の参照例２と比較してより大きい４光沢単位を示す光沢を生じることを示す。この結果は、極めて良好で、表面の坪量は10g/m²より低く減少させることができる。

図１は、2層繊維製品の主要な構造の側面図を示す。図１ｂは、相当する４層繊維製品を示す。 図２は、本発明による2相繊維製品の光散乱要因、及び２つの異なる充填因子を用いたMullen指数の関数としての2つの参照製品を示す。SF：Superfill、reｆ.1：参照例１、ref.２：参照例２． 図３は、結合力の関数としての相当する結果を示す（ScottBond）。SF：Superfill、reｆ.1：参照例１、ref.２：参照例２． 図４は、引っ張り指数の関数としての相当する結果を示す。SF：Superfill、reｆ.1：参照例１、ref.２：参照例２． 図５は、２つは本発明によるフィラーを含む上層を有し、２つは参照フィラーを含む、4つの2層繊維製品の光沢を示す棒グラフを使用する。

Claims (10)

1. 上層に形成されたものが、フィラーを含み、その下の層より明るく、少なくとも不透明である、少なくとも2つの重なる繊維層からなる多層繊維製品であって、上層のフィラーが、少なくとも部分的にセルロース又はリグノセルロールのフィブリルからなり、
   前記フィブリルは、50メッシュのふるいを通過する画分に相当し、及び／又は平均太さが0.01〜5μmで且つ平均長さが10〜1500μmであり、
   前記フィブリル上には炭酸カルシウム粒子が析出しており、
   析出した炭酸カルシウム粒子の少なくとも80重量％が前記フィブリルに付着している多層繊維製品。
2. 前記炭酸カルシウム粒子は、水性溶媒中で析出させることによって、その原料物質から形成することができる無機塩であることを特徴とする請求項１に記載の多層繊維製品。
3. 前記多層繊維製品が、ホワイトライントップライナー又は被膜ホワイトラインライナーからなることを特徴とする請求項１または２に記載の多層繊維製品。
4. 坪量が、50〜500g／m²であり、上層の坪量が、20〜125g／m²であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の多層繊維製品。
5. 上層と裏層との間の坪量の分配が、20/80〜40/60である請求項１〜４のいずれか１項に記載の多層繊維製品。
6. 上層が、硬材パルプ、軟材パルプ、又はその混合物からなる化学セルロースパルプから生産されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の多層繊維製品。
7. 前記裏層が、バージン繊維又はリサイクル繊維から生産される１〜5層からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の多層繊維製品。
8. 繊維製品の表面を形成し、裏層を被覆し、少なくとも1つの繊維層からなる裏層の上に固定されるフィラー含有繊維層を製造することによる多層製品を生産する方法であって、前記上層を繊維物質のスラッシュから形成し、セルロース又はリグノセルロースのフィブリルを含む製品がフィラーとして加えられており、
   前記フィブリルは、50メッシュのふるいを通過する分画に相当するか、及び／又は平均太さが0.1〜10μmで且つ平均長さが10〜1500μmであり、
   前記フィブリル上には炭酸カルシウム粒子が析出しており、
   析出した炭酸カルシウム粒子の少なくとも80重量％が前記フィブリルに付着している多層製品の製造方法。
9. 前記上層を抄紙機中で顔料を含有するコーティング混合物でコーティングすることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
10. 前記上層及び裏層が、長網抄紙機ワイヤー上で別々に形成され、抄き合わせにより、まだ湿っているときに積層されることを特徴とする請求項８または９に記載の製造方法。

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